燃煤煙氣脫氯對(duì)煙氣溫度的影響

張愛民，黃 洲，袁偉中，陳錫炯，滕衛(wèi)明，楊建國，趙 虹

(1.浙江浙能長(zhǎng)興發(fā)電有限公司，浙江 湖州 313100；2.浙江大學(xué)，杭州 310027；3.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007)

濕法脫硫技術(shù)(WFGD)被燃煤電廠廣泛應(yīng)用，在運(yùn)行過程中，因氯離子富集不得不排出部分脫硫漿液并補(bǔ)充新鮮水以保持脫硫效率，從而形成脫硫廢水。脫硫廢水重金屬離子富集、可溶性鹽濃度高、固體懸浮物含量大，易對(duì)環(huán)境造成破壞。目前，國內(nèi)外對(duì)耦合反滲透[1-2]、電滲析[3]的蒸發(fā)結(jié)晶、煙道直噴蒸發(fā)[4- 5]等脫硫廢水零排放技術(shù)報(bào)道較多。從已有的工程實(shí)例來看，均具有一定的效果，但也存在各自的問題，如：蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)存在工藝復(fù)雜、初投資大、運(yùn)行成本高的問題；直噴蒸發(fā)技術(shù)存在水量過大導(dǎo)致煙溫降幅大，煙道壁面積灰等問題。

煤中含有一定的氯元素，研究認(rèn)為煤炭中的氯元素在含有大量微孔的鏡質(zhì)組中積聚，主要與煤的有機(jī)成分有關(guān)[6-8]。煤中的氯在燃燒過程中96%以上的氯元素釋放至燃煤煙氣中[9-10]，煙氣中的氯元素95%以上又以HCl的形式存在[11]，煙氣經(jīng)過濕法脫硫后，約90%以上的HCl被脫硫漿液吸收[12]。

基于此，若是在煙氣進(jìn)入脫硫塔前，能將煙氣中的HCl脫除，脫硫廢水流量就將大大減少。先前，課題組通過化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬[13]與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究[14]提出在除塵器前噴堿液脫氯來大幅度減少脫硫廢水流量，并將減量后的脫硫廢水作為堿基溶劑循環(huán)利用的新型“煙氣脫氯-脫硫廢水零排放”技術(shù)路線。研究表明，以NaOH為堿基物質(zhì)，當(dāng)Na/Cl摩爾比達(dá)到約5以上時(shí)，脫氯效率可達(dá)70%。在煙氣脫氯的同時(shí)，還可以脫除煙氣中的HF、SO3等酸性氣體，對(duì)尾部煙道及設(shè)備的防腐具有重要意義。該技術(shù)還具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。

但是需要指出的，在空氣預(yù)熱器與除塵器(以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器)之間噴入堿基溶液，不可避免地會(huì)引起煙溫降低，若降溫幅度過大，可能造成除塵器腐蝕等不利影響。同時(shí)，保障煙溫在工程酸露點(diǎn)[15]以上，避免煙道積灰、腐蝕，在現(xiàn)在燃煤機(jī)組廣泛采用氣氣換熱器(GGH)或水媒氣氣換熱器(MGGH)的大背景下也更具現(xiàn)實(shí)意義。

因此，在電廠搭建試驗(yàn)平臺(tái)，用實(shí)際燃煤煙氣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證燃煤煙氣脫氯對(duì)煙氣溫度的影響，進(jìn)而確定合理堿液霧化方式，指導(dǎo)工程實(shí)際。

1 理論計(jì)算

“燃煤煙氣脫氯-脫硫廢水零排放”工藝通過噴入堿基溶液來達(dá)到脫除煙氣中HCl的目的。為了蒸干堿基溶液及其反應(yīng)生成物，需要吸收一部分煙氣的熱量，導(dǎo)致煙氣溫度有所降低。如若煙溫下降過大，可能導(dǎo)致煙道內(nèi)部積灰、磨損、腐蝕。因此，首先建立理論計(jì)算方程，研究堿基溶液對(duì)煙氣煙溫的影響。

假設(shè)暫不考慮煙氣中飛灰對(duì)傳熱的影響，根據(jù)能量守恒定律，在理想狀況下，煙氣降溫?fù)p失的熱量等于脫氯吸收液蒸發(fā)過程中所吸收的熱量，可得熱量平衡計(jì)算公式：

ηρQ1c1(t1-t2)=10 000Q3[c2(100-t3)+

ΔH+c3(t2-100)]

式中：Q1為空預(yù)器出口至靜電除塵器之間的煙氣流量；Q3為噴入空預(yù)器出口至靜電除塵器之間的煙道中煙氣脫氯的吸收液流量；ρ為煙氣密度；c1為煙氣的比熱容，取1.08 kJ/(kg·℃)；c2為堿液的比熱容，取4.19 kJ/(kg·℃)；c3為水蒸氣的比熱容，取1.87 kJ/(kg·℃)；ΔH為水的相變焓，取2 257 kJ/kg；t1為空預(yù)器至靜電除塵器之間的煙氣溫度；t2為空預(yù)器至靜電除塵器之間的高溫?zé)煔馀c吸收液蒸發(fā)后的水蒸氣達(dá)到平衡后的溫度；t3為待處理的堿基溶液溫度；η為煙氣熱利用效率。

通過計(jì)算可以得出堿基溶液完全蒸發(fā)后對(duì)煙氣溫度的影響，將其與現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，確定堿基溶液對(duì)煙溫的真實(shí)影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

在一臺(tái)330 MW燃煤發(fā)電機(jī)組搭建試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。在鍋爐的空預(yù)器(AH)與靜電除塵器(ESP)之間煙道，用內(nèi)徑600 mm的圓管引出爐內(nèi)煙氣經(jīng)過試驗(yàn)段和風(fēng)機(jī)后返回?zé)煹?，利用變頻風(fēng)機(jī)調(diào)控?zé)煔饬髁?實(shí)際控制目標(biāo)為煙氣流速)，設(shè)計(jì)煙氣流量約10 000 m3/h(約6 600 m3/h)，控制系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量波動(dòng)性小于1%。試驗(yàn)段為直圓管，長(zhǎng)度6 m，全部管路用保溫棉保溫。

除了煙氣系統(tǒng)外，試驗(yàn)平臺(tái)包含溶液供給系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量與控制系統(tǒng)和采樣系統(tǒng)。溶液供給系統(tǒng)以噴嘴為核心，用來霧化堿基溶液。在試驗(yàn)段尾部流動(dòng)穩(wěn)定位置安裝S型皮托管測(cè)量煙氣流速，在試驗(yàn)段上每間隔0.5 m安裝一個(gè)PT100熱電阻溫度測(cè)點(diǎn)(共11處，依次編號(hào)為t0,t1,…，t10)來描繪噴堿液前后煙氣溫度變化過程，同樣間隔0.5 m安裝內(nèi)徑為50 mm檢測(cè)孔，用于飛灰與煙氣采樣。

圖1 電廠試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2.2 氣液兩相流噴嘴

噴嘴是“燃煤煙氣脫氯-脫硫廢水零排放”技術(shù)的核心設(shè)備之一，噴嘴性能的好壞將直接影響煙氣中溫度場(chǎng)的分布情況。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)保證霧化效果，避免因液滴不勻而導(dǎo)致的煙溫偏差，選擇在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上使用氣液兩相流噴嘴進(jìn)行堿基溶液的霧化，控制霧化粒徑(SMD)在50 μm左右，具體參數(shù)見表1。

表1 噴嘴參數(shù)表

2.3 霧化方向

根據(jù)霧化液滴的初速度方向和煙氣流向，噴嘴的布置方式可以分為順噴和逆噴兩種。順噴指噴嘴的噴射方向與煙氣流動(dòng)方向相同，逆噴即為噴嘴的噴射方向?yàn)闊煔饬鲃?dòng)方向相反，見圖2。理論上，在液滴被完全蒸發(fā)的前提條件下，始末煙溫降與霧化方向無關(guān)，但不同霧化方向會(huì)影響流場(chǎng)溫度分布，可能對(duì)煙道結(jié)晶、積灰情況造成影響，因此，解決霧化方向問題，對(duì)工程實(shí)際中噴嘴的布置方式有重要指導(dǎo)意義。

圖2 噴嘴霧化方向示意圖

2.4 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)期間，入爐煤的工業(yè)分析、發(fā)熱量和微量元素分析結(jié)果如下：全水分11.2%，收到基水分3.64%，收到基灰分18.05%，揮發(fā)分29.66%，固定碳48.66%，發(fā)熱量Qnet,ar為23.40 MJ/kg。

300 MW燃煤機(jī)組分別在一定負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)測(cè)空預(yù)器出口煙溫在140 ℃，通過控制試驗(yàn)段管內(nèi)風(fēng)速(4～10 m/s)來控制煙氣流量。以NaOH為溶質(zhì)，配制堿基溶液，改變單次噴入堿液的體積，從50 mL/min增加到250 mL/min，借助試驗(yàn)平臺(tái)的自動(dòng)控制和測(cè)量系統(tǒng)記錄不同條件下煙氣溫度的變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)溫度分布

3.1.1 霧化方向、堿液流量對(duì)流場(chǎng)煙溫的影響

控制煙氣流速在10 m/s，不同霧化方向?qū)α鲌?chǎng)煙溫降的影響見圖3。從對(duì)比中可以看出，相同霧化方向的流場(chǎng)溫度走勢(shì)基本一致。不論堿液流量如何改變，測(cè)量煙溫降都是在距噴嘴0.25 m(溫度測(cè)點(diǎn)t1)處達(dá)到最大值，隨后逐漸下降，且下降速率先快后慢，而逆噴和順噴的區(qū)別是，順噴瞬間煙溫降更大且煙溫降達(dá)到最大值后順噴方式下流場(chǎng)溫度恢復(fù)較慢。具體體現(xiàn)在溫度測(cè)點(diǎn)t1、t2處的平均煙溫降的差異，順噴方式下分別為33.73 ℃和16.89 ℃均要高于逆噴下的24.97 ℃和12.66 ℃。這是由于在反應(yīng)距離較短(不超過1 m)的前提下，逆噴方式煙氣與堿液接觸面積大、混合充分、換熱更加劇烈，流場(chǎng)煙溫能夠更快的向原始煙溫靠近。

需要注意到的是，t1、t2處測(cè)量出的強(qiáng)烈煙溫降并不能代表實(shí)際煙氣溫度的變化，更大可能是霧距范圍內(nèi)堿液液滴粘附在熱電偶上造成的物理降溫效應(yīng)，因此，煙溫流場(chǎng)才會(huì)呈現(xiàn)出先降溫，后升溫，最后保持穩(wěn)定的特征。在實(shí)際流場(chǎng)中，并不會(huì)出現(xiàn)極端區(qū)域低溫的情況，相反的，不論霧化方向，在0.1 s內(nèi)煙氣溫度都能夠回升至原始煙溫附近，能夠體現(xiàn)出兩相流噴嘴良好的氣液換熱特性。

圖3 不同霧化方向?qū)α鲌?chǎng)溫度的影響

3.1.2 不同煙氣流量對(duì)流場(chǎng)溫度的影響

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)依靠變頻風(fēng)機(jī)建立動(dòng)力源，將實(shí)際煙氣抽拔至試驗(yàn)直管段中,因此，直管段中煙氣流速的大小代表著試驗(yàn)處理的煙氣流量。在“深度調(diào)峰”的大背景下，機(jī)組頻繁變工況運(yùn)行不可避免。

探究變負(fù)荷條件下，燃煤煙氣脫氯技術(shù)的普適程度，改變煙氣流速，探究不同煙氣量下流場(chǎng)煙溫的變化，見圖4，將煙氣流速以2 m/s的幅度逐漸從4 m/s增加至8 m/s，分別對(duì)應(yīng)的機(jī)組40%、60%、80%負(fù)荷情況。保證堿液流量為100 mL/min不變，繪制流場(chǎng)溫度變化?？梢园l(fā)現(xiàn)：逆噴情況下，煙氣量越小，流場(chǎng)溫度變化幅度越大，但變化趨勢(shì)基本一致。而順噴情況則變得相對(duì)復(fù)雜，在圖4b中，隨著處理煙氣量的減小，測(cè)量顯示的流場(chǎng)溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)逐漸向后推移的趨勢(shì)，導(dǎo)致溫度流場(chǎng)的低溫區(qū)有所擴(kuò)大，積灰風(fēng)險(xiǎn)有所上升，因此，從變工況運(yùn)行角度，采用逆噴的霧化方式進(jìn)行噴嘴布置，可以得到相對(duì)更穩(wěn)定的煙溫場(chǎng)。不過，順噴方式可以減少飛灰對(duì)噴嘴的磨損，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

圖4 不同煙氣流量對(duì)流場(chǎng)溫度的影響

3.2 始末煙溫降

由流場(chǎng)溫度分布曲線發(fā)現(xiàn)，溫度測(cè)點(diǎn)t7～t10溫度反饋基本平穩(wěn)，說明堿液已經(jīng)完全蒸干，此時(shí)的始末煙溫降代表了燃煤煙氣脫氯工藝在煙溫方面對(duì)機(jī)組的真實(shí)影響(見圖5)?？梢钥闯觯F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本與理論計(jì)算值相一致，最大煙溫偏差小于0.4 ℃。在堿液完全蒸發(fā)的前提下，始末煙溫降與堿液霧化方向無關(guān)。

圖5 始末煙溫降對(duì)照

3.3 霧化方向?qū)γ撀刃实挠绊?/h3>

順噴或者逆噴對(duì)于脫氯效率的影響見圖6，順噴的脫氯表現(xiàn)較為穩(wěn)定，逆噴的脫氯效率則更依賴于Na/Cl，不過兩者在脫氯效率為70%左右的核心考察區(qū)內(nèi)，脫氯表現(xiàn)相差不大。而在低Na/Cl即低堿液流量的條件下，逆噴的脫氯效率明顯偏低。低堿液流量逆噴時(shí)，堿液量較少，使得噴嘴口初速度較低，液滴斜拋、平拋弧線被壓縮，堿液更易在噴嘴口與煙氣中飛灰結(jié)合造成一定的結(jié)渣現(xiàn)象，同時(shí)逆噴的氣液換熱速度也相對(duì)較快，氣液反應(yīng)時(shí)間偏短，這可能是此時(shí)脫氯效率偏低的主要原因。

圖6 不同霧化方向?qū)γ撀刃实挠绊?/p>

根據(jù)燃煤煙氣脫氯工藝對(duì)脫硫廢水水量影響的理論計(jì)算[14]，當(dāng)脫氯效率達(dá)到70%時(shí)，一臺(tái)300 MW機(jī)組的脫硫廢水水量可由3.1 m3/h下降至0.88 m3/h，將減量后的脫硫廢水作為堿基溶劑回噴煙道，即可實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零流量排放。對(duì)應(yīng)至現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)模，當(dāng)堿液流量為100 mL/min左右時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)脫氯后脫硫廢水的動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)始末煙溫降約為2.5～2.7 ℃。降溫后的煙氣溫度依然遠(yuǎn)高于尾部酸露點(diǎn)溫度，不會(huì)出現(xiàn)受熱面低溫腐蝕等問題。

4 結(jié)論

通過燃煤煙氣脫氯來實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放是一項(xiàng)新型的脫硫廢水零排放技術(shù)，試驗(yàn)比較了順噴和逆噴兩種不同的霧化方式，發(fā)現(xiàn)逆噴能增大煙氣與堿液接觸面積、使其混合均勻，流場(chǎng)煙溫能夠更快的向原始煙溫靠近，且更加適應(yīng)變工況運(yùn)行。不過，順噴時(shí)脫氯效率變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)，若同時(shí)考慮實(shí)際機(jī)組的運(yùn)維過程，順噴方式仍具有其優(yōu)越性。

在真實(shí)機(jī)組尺度下，當(dāng)脫氯效率達(dá)到70%時(shí)，脫硫廢水可實(shí)現(xiàn)約70%有效減量，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，煙道內(nèi)的始末煙溫降約為2.5～2.7 ℃，降溫后的煙氣溫度依然遠(yuǎn)高于尾部酸露點(diǎn)溫度，從煙氣溫度的角度論證了燃煤煙氣脫氯工藝的可行性。